由于手機(jī)行業(yè)對于基板空間的要求極為嚴(yán)苛，手機(jī)電源管理IC的SoC化趨勢已經(jīng)十分明顯，然而目前正有越來越多的模擬電路大廠開始推出車用電源管理IC的SoC解決方案。究竟是分立，還是集成?手機(jī)電源管理市場曾經(jīng)一度熱議。未來這一爭端也將向汽車行業(yè)延伸?
車用電源管理SoC不斷推出
越來越多模擬電路大廠開始推出車用電源管理IC的SoC解決方案。
“綠色環(huán)保”概念在全球范圍內(nèi)已經(jīng)深入人心，而電源管理技術(shù)在提高產(chǎn)品功率效率方面發(fā)揮著重要作用，廣泛應(yīng)用于照明、電信、電網(wǎng)、家電、汽車等幾乎所有電子設(shè)備之中。由于受SoC化設(shè)計趨勢的影響，近年來電源管理IC技術(shù)表現(xiàn)出越來越強的集成化趨勢。“特別是在便攜設(shè)備領(lǐng)域這一趨勢已十分明顯。”安森美半導(dǎo)體中國區(qū)應(yīng)用工程總監(jiān)吳志民告訴記者，“為了配合消費者對纖薄外形的需求，設(shè)計人員的一項可行策略就是選擇集成多種功能的主芯片組，同時選用高集成度的電源管理集成電路(PMIC)簡化設(shè)計，使控制電源所需的資源減至最少，并將外形因數(shù)保持在可控范圍之內(nèi)。”
目前這一趨勢正向汽車電子領(lǐng)域蔓延，越來越多模擬電路大廠開始推出車用電源管理IC的SoC解決方案。英飛凌科技近日發(fā)布兩款基于 ARMCortex-M3內(nèi)核，并集成了非易失存儲器、模擬和混合信號外設(shè)、通信接口、MOSFET柵極驅(qū)動器的嵌入式電源管理IC。其中，TLE987x系列適用于三相(無刷直流)電機(jī)，TLE986x系列適用于二相(直流)電機(jī)。英飛凌汽車電子事業(yè)部系統(tǒng)應(yīng)用副總裁 HansAdlkofer表示：“這種系統(tǒng)芯片方法結(jié)合了強大的微控制器、柵極驅(qū)動器以及所有必要的傳感、控制和驅(qū)動功能，能夠提供更低的系統(tǒng)成本、更高的可靠性以及更低的系統(tǒng)復(fù)雜性。”
安森美半導(dǎo)體推出的兩款PMIC適合于汽車動力系統(tǒng)及車廂內(nèi)應(yīng)用。安森美半導(dǎo)體汽車產(chǎn)品分部總監(jiān)JimAlvernaz表示：“NCV8876是能夠針對汽車電池電壓狀況自動作出反應(yīng)的現(xiàn)成器件，而其他可選方案要么要求設(shè)計定制專用集成電路，要么基于分立元件，但提供慢得多的響應(yīng)時間。NCV896530由于提供2.1MHz開關(guān)頻率，不會與調(diào)幅(AM)頻段相互干擾，因為它的兩個通道彼此180°異相，電壓軌上的峰值電流需求大幅下降。”
美信半導(dǎo)體則針對汽車儀表盤應(yīng)用，推出高集成度汽車電源管理芯片MAX16993。美信半導(dǎo)體表示，該方案集成了一個高開關(guān)頻率控制器和兩路輸出轉(zhuǎn)換器(每個轉(zhuǎn)換器可輸出3A電流)，與傳統(tǒng)分立方案相比，可節(jié)省50%以上的基板面積。
集成化方案需求增長
集成化的電源管理IC可有效降低系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，節(jié)約基板空間，同時降低系統(tǒng)成本。
“設(shè)備正變得越來越復(fù)雜和需要更先進(jìn)的電源管理解決方案來幫助設(shè)計工程師克服在添加更多功能特性、更高分辨率顯示屏和更快更復(fù)雜處理器時遇到的挑戰(zhàn)。這需要更高效的升壓-降壓穩(wěn)壓器以及充電技術(shù)，特別是電源管理技術(shù)。”Intersil基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)電源產(chǎn)品高級副總裁 MarkDowning表示。目前，汽車上使用的半導(dǎo)體產(chǎn)品種類和數(shù)量一直在增加，這導(dǎo)致現(xiàn)今汽車設(shè)計中的一項很有諷刺意味的情況：能源效率越來越高，但其承載的電氣要求卻越來越多。這些要求包括了從一系列安全相關(guān)功能到車內(nèi)舒適性、聯(lián)通性和娛樂功能的方方面面，例如基本的AM/FM收音機(jī)、衛(wèi)星無線電、多媒體系統(tǒng)接口、GPS、蜂窩支持、Bluetooth、WiFi等。這又進(jìn)一步帶來了對電源管理等先進(jìn)技術(shù)的需求。
“動力總成系統(tǒng)的電氣化使半導(dǎo)體產(chǎn)品對汽車運動和性能具有更重要的意義。另外，車載信息娛樂和安全應(yīng)用程序也在增多，使得電源管理芯片在改善電動及混合動力汽車能源效率方面扮演的角色越來越重要。而集成化的電源管理IC可有效降低系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，節(jié)約基板空間，同時降低系統(tǒng)成本。”HansAdlkofer表示。除了眾所周知的汽車基本電源問題之外，還有一些新問題出現(xiàn)。如越來越多的汽油引擎汽車采用“啟停模式”以降低油耗：在停車標(biāo)示以及等紅燈或類似情況時關(guān)閉引擎，然后當(dāng)駕駛員踩下油門踏板時，在不足1秒的時間內(nèi)重新啟動引擎，可將空轉(zhuǎn)油耗降至最低。然而，汽車每次停止后再重新啟動，都會對電氣系統(tǒng)造成拋負(fù)載和瞬態(tài)影響。而在走走停停的交通環(huán)境下，這種現(xiàn)象非常頻繁發(fā)生。較好的解決方法就是采用高度集成的電源管理IC。這些IC提供多個直流電源，專門針對汽車環(huán)境而設(shè)計。
分立方案將長期存在
集成化并不能解決全部問題。不同汽車，不用電源域的需求各有不同。
雖然高集成度PMIC的應(yīng)用日益增多，但是即便在便攜式產(chǎn)品中也不是所有電源域都需要采用高集成度的PMIC。“隨著便攜產(chǎn)品功能不斷增多，集成度相對較低的電源轉(zhuǎn)換IC的需求也在增加，以此配合增加新功能。例如，為了給高耗電的應(yīng)用處理器供電，設(shè)計人員可能需要使用DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器。又如，許多智能手機(jī)都配備HDMI接口，方便用戶傳輸視頻數(shù)據(jù)。這些HDMI接口采用+5V電壓供電，高于便攜產(chǎn)品中常用的鋰離子電池的供電電壓，這時候就需要DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器。”吳志民表示。
“客戶為什么選擇電源管理SoC方案?是因為它的系統(tǒng)成本優(yōu)勢，以及對基板空間的節(jié)省。”HansAdlkofer指出。但是HansAdlkofer也承認(rèn)，集成化并不能解決全部問題。不同汽車、不用電源域的需求各有不同。
一個PMU往往只能針對某類應(yīng)用，甚至某個產(chǎn)品，從某種角度來看，這有些類似ASSP(專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品)，其擴(kuò)展應(yīng)用性不如分立解決方案，而且分立解決方案可以根據(jù)需求選擇最適合的電源管理芯片，甚至可能實現(xiàn)更高的能效。由于分立和集成各有優(yōu)勢，而且汽車電子產(chǎn)品大多數(shù)情況對基板空間要求并不如智能手機(jī)那么嚴(yán)苛。因此，集成化和分立的解決方案將會長期存在。
此外，還有一點需要注意，畢竟集成化是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體趨勢。我國本土電源管理IC設(shè)計生產(chǎn)廠商雖然眾多，但是能設(shè)計、生產(chǎn)面向高端應(yīng)用的集成多功能電源管理SoC的并不多。為避免趨向無利的低價競爭，國內(nèi)電源管理廠商也需要不斷提高自身技術(shù)水平，發(fā)展差異化的、高度集成的電源管理IC，滿足新市場、新產(chǎn)品的需求。
廠商觀點
英飛凌汽車電子事業(yè)部系統(tǒng)應(yīng)用副總裁HansAdlkofer
智能電機(jī)控制需要高效、低價解決方案
智能電機(jī)控制應(yīng)用需要各種各樣受能效、系統(tǒng)成本降低和舒適型需求影響的復(fù)雜的電機(jī)控制方案。英飛凌利用ARMCortex-M3處理器，用智能電機(jī)控制的新汽車級品質(zhì)嵌入式功率系列來解決這些設(shè)計難題。
這種系統(tǒng)芯片方法結(jié)合了強大的微控制器、柵極驅(qū)動器以及所有必要的傳感、控制和驅(qū)動功能，因此英飛凌的可擴(kuò)展嵌入式功率系列能夠讓汽車系統(tǒng)供應(yīng)商受益于更低的系統(tǒng)成本、更高的可靠性以及更低的系統(tǒng)復(fù)雜性。
以前的多芯片設(shè)計需要獨立的微控制器、橋式驅(qū)動器以及LIN(本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò))收發(fā)器，而現(xiàn)在電機(jī)控制設(shè)計只需要最少的外部組件，讓汽車系統(tǒng)供應(yīng)商能夠從中受益。新推出的嵌入式功率產(chǎn)品將組件數(shù)量從現(xiàn)在的大約150多個減少至30個以下，在僅僅3cm2的PCB空間內(nèi)集成了電機(jī)控制的所有功能和相關(guān)外部組件。因此，嵌入式功率系列使電機(jī)的電子集成更接近真正的機(jī)電一體化設(shè)計。
安森美半導(dǎo)體中國區(qū)應(yīng)用工程總監(jiān)吳志民
重點關(guān)注提升電機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性
安森美半導(dǎo)體提供一系列的微型電源管理IC(mini-PMIC)。這些微型電源管理IC集成多個DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器或低壓降(LDO)線性轉(zhuǎn)換器，同時還可能集成其他多種控制或保護(hù)功能等。安森美半導(dǎo)體的mini-PMIC目前包括NCP6922、NCP691/5、 NCP6924/5等。在汽車領(lǐng)域，安森美重點關(guān)注幫助提升燃油經(jīng)濟(jì)性及降低排放的啟動-停止交流發(fā)電機(jī)、汽油直噴發(fā)動機(jī)、混合動力汽車、雙離合及6+速變速箱等技術(shù)，幫助提升安全及舒適的LED照明、車門模塊、停車輔助、傳感器、信息娛樂系統(tǒng)、高級先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)技術(shù)，及線控和電機(jī)控制技術(shù)。
在汽車方面，中國客戶需要完整的汽車電子方案和良好的技術(shù)支援，安森美在中國上海的解決方案工程中心(SEC)，配備有在不同應(yīng)用領(lǐng)域擁有豐富經(jīng)驗的資深專家，能為客戶提供同類最佳的技術(shù)支援。
Intersil基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)電源高級副總裁MarkDowning
電源模塊在系統(tǒng)成本上優(yōu)勢顯著
電源模塊是通過集成和提高智能化程度來加強創(chuàng)新的一個很好例子。它們很好地指明了器件集成度向更高水平發(fā)展的趨勢。為支持這些大電流電路，設(shè)備制造商常常依賴于復(fù)雜、需要占用寶貴電路板空間并可能具有顯著功率輸出限制的分立電源解決方案。
降壓型穩(wěn)壓器用于把來自分布式電源總線的電力轉(zhuǎn)換后提供給基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的獨立負(fù)載點(POL)。較新的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)可能在一個系統(tǒng)中使用20～40個負(fù)載點(降壓型)轉(zhuǎn)換器，其中每個轉(zhuǎn)換器都具有不同的輸出電壓和輸出電流需求，這給系統(tǒng)電源工程師帶來了挑戰(zhàn)。為迎接為這些系統(tǒng)設(shè)計電源子系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，許多設(shè)計工程師都在考慮使用電源模塊而非傳統(tǒng)的分立POL設(shè)計，這背后的推動因素包括上市速度、尺寸限制、可靠性和設(shè)計能力等。
實現(xiàn)分立設(shè)計的初始成本可能少于使用電源模塊，但如果把上市速度和長期工程及維護(hù)成本考慮進(jìn)來，電源模塊就顯示出顯著優(yōu)勢，特別是對具有10個或更多電源軌的系統(tǒng)來說。擁有成本、設(shè)計復(fù)雜性的降低以及簡化的和更加靈活的電路板布局都是高集成度模塊將繼續(xù)占領(lǐng)市場份額的原因。 Intersil提供全面的數(shù)字及模擬電源模塊產(chǎn)品，以適應(yīng)下一代系統(tǒng)的寬輸入電壓范圍和負(fù)載電流范圍。
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